(57)【要約】  直流電力を交流電力に変換する主回路部１（直流主回路）と、直流主回路を制御する制御部１４とを備えた電力変換装置であって、直流主回路は、コンデンサ電圧を検出する電圧検出器８（検出器）と、コンデンサ５のエネルギを放電する放電回路１０と、を有し、制御部１４は、主回路部１が電源から切り離された状態での電圧検出器８からの電圧値に基づいて、正常時のコンデンサ電圧の推定し、コンデンサの短絡故障が発生する兆候を検知する検知回路１５と、検知回路１５からの検知信号を受信した場合、放電回路１０を動作させる制御信号を出力する制御回路１６と備える。
2011104848.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換する直流主回路と、前記直流主回路を制御する制御部とを備えた電力変換装置であって、
前記直流主回路は、
前記直流主回路を構成するコンデンサと、前記コンデンサの電圧を検出する検出器と、前記コンデンサと第１の抵抗とを含み前記コンデンサに蓄積された電荷を前記第１の抵抗を介して放電させる第１の放電回路と、を有し、
前記制御部は、
前記直流主回路が電源から切り離されたときに前記検出器で検出される電圧初期値と前記第１の放電回路の時定数とに基づいて推定される電圧の推移と、前記検出器で検出される電圧の推移と、を比較し、前記コンデンサの短絡故障が発生する兆候を示す検知信号を生成する検知回路を有すること、
を特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記直流主回路は、
第２の抵抗を含み前記コンデンサに蓄積された電荷を前記第２の抵抗を介して放電させる第２の放電回路を有し、
前記制御部は、
前記検知回路からの検知信号を受信した場合、前記第２の放電回路を動作させる制御回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
直流電力を交流電力に変換する直流主回路と、前記直流主回路を制御する制御部とを備えた電力変換装置であって、
前記直流主回路は、
前記直流主回路を構成するコンデンサと、前記コンデンサの電圧を検出する検出器と、前記コンデンサと第１の抵抗とを含み前記コンデンサに蓄積された電荷を前記第１の抵抗を介して放電させる第１の放電回路と、を有し、
前記制御部は、
前記直流主回路が電源から切り離されたときに前記検出器で検出された電圧が定常状態から降下し再び定常状態付近にまで上昇する際の瞬時低下の傾きに基づいて、前記コンデンサの短絡故障が発生する兆候を示す検知信号を生成する検知回路を有すること、
を特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
前記検知回路には、前記検出器で検出された電圧の瞬時低下の検知レベルが、前記コンデンサの瞬時短絡時の電圧低下率と、正常運転時に発生しうる電圧低下率と、の間に設定されていること、を特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記直流主回路は、
第２の抵抗を含み前記コンデンサに蓄積された電荷を前記第２の抵抗を介して放電させる第２の放電回路を有し、
前記検知回路は、
前記第２の放電回路が動作したときの電圧低下率が、前記コンデンサの瞬時短絡時の電圧低下率と同程度である場合にのみ、電圧低下の検知機能をマスクすること、を特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記検知回路は、前記コンデンサの異常を検知した場合、検知状態をラッチすることを特徴とする請求項１または３に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記検知回路は、前記コンデンサの短絡故障が発生する兆候を検知したことを外部に通知することを特徴とする請求項１または３に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記制御回路は、前記直流主回路が所定期間電源から切り離されない場合、前記直流主回路を電源から切り離すことを特徴とする請求項１または３に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流回路部を有する電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直流回路部を有する電力変換装置は、装置を安定して制御するために直流電圧を平滑化したり、発生する高調波電流を抑制したりする目的でフィルタコンデンサを設けているが、このフィルタコンデンサには、一般的にフィルムコンデンサが適用される。このフィルムコンデンサには、ケース内部に可燃性の鉱物油や植物油が入っているものが一般的であり、この油は発火するおそれがあり、またフィルムも可燃性であるため、発火を防止するためにはヒューズなどの保護機構が必要である。【０００３】
従来の電力変換装置は、セグメントヒューズ機構付のフィルタコンデンサを採用するなどして、安全性の向上を図るとともに、装置の小型、軽量化を図っている。このセグメントヒューズ機構は、過電圧などの外部要因やフィルム自身の欠陥などの内部要因によりフィルム間で短絡が発生した場合に、流れる短絡電流によってヒューズ機構を動作させ、短絡の発生したセグメントのみを切り離すことによって、残った健全セグメントによりコンデンサとしての機能を維持するとともに、コンデンサケースの破裂および発火を防ぐ機能を有している（例えば、下記特許文献１）。【０００４】
また、電力変換器の直流主回路に設けられるコンデンサの短絡による爆発を防止する手段として、下記特許文献２には、コンデンサの短絡を検出する検出手段を備え、このコンデンサに並列接続されたスイッチを投入し、故障コンデンサに短絡電流が流れないようにする保護装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−３１６９０号公報（段落「００１５」、図２、図４）
【特許文献２】特開平８−１４０２５７号公報（段落「０００８」、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に示される電力変換装置は、許容温度以上の周囲温度で使用される過温度の条件や、許容値以上のリップル電流が流れる過負荷の条件などにより、フィルタコンデンサの温度が上昇しフィルムの温度が耐熱温度を超えた際、ヒューズ機構による保護が十分機能せずに短絡故障が発生し、コンデンサケースの破裂あるいは火災に至る可能性があるという問題があった。また、上記特許文献１に示される電力変換装置では、フィルタコンデンサが仕様温度範囲内で使用されている場合でも、コンデンサの製造不良等により、セグメントヒューズが適切に製造されていないときには、ヒューズ機構が正常に動作しないため、短絡故障が発生し、コンデンサケースが破損して、可燃性の油が発火することにより火災に至る可能性があるという問題があった。【０００７】
また、コンデンサの短絡を検出する手段を備えた上記特許文献２に示される電力変換装置は、故障コンデンサに短絡電流が流れないように、コンデンサに並列接続されたスイッチを投入して、短絡電流が故障コンデンサに流れないようにしているが、個別のコンデンサの短絡を検出する手段についての具体的な方法が示されていないという問題があった。【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コンデンサの短絡故障を未然に防止することができる電力変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、この発明に係る電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換する直流主回路と、前記直流主回路を制御する制御部とを備えた電力変換装置であって、前記直流主回路は、前記直流主回路を構成するコンデンサと、前記コンデンサの電圧を検出する検出器と、前記コンデンサと第１の抵抗とを含み前記コンデンサに蓄積された電荷を前記第１の抵抗を介して放電させる第１の放電回路と、を有し、前記制御部は、前記直流主回路が電源から切り離されたときに前記検出器で検出される電圧初期値と前記第１の放電回路の時定数とに基づいて推定される電圧の推移と、前記検出器で検出される電圧の推移と、を比較し、前記コンデンサの短絡故障が発生する兆候を示す検知信号を生成する検知回路を有すること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、直流主回路が電源から切り離されたときに検出器で検出される電圧初期値と所定の時定数とに基づいて推定される電圧の推移と、検出器で検出される電圧の推移とを比較して、コンデンサの短絡故障が発生する兆候を示す検知信号を生成するようにしたので、コンデンサの短絡故障を未然に防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置に適用される検知回路の構成図である。
【図３】図３は、コンデンサが正常なときのコンデンサ電圧の推移と、コンデンサが異常なときのコンデンサ電圧の推移との比較結果を示す図である。
【図４】図４は、故意に欠陥を混入させたコンデンサの電圧の変化を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態４にかかる電力変換装置に適用される検知回路の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の構成図であり、図２は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置に適用される検知回路の構成図であり、図３は、コンデンサが正常なときのコンデンサ電圧の推移と、コンデンサが異常なときのコンデンサ電圧の推移との比較結果を示す図である。
【００１４】
図１において、電力変換装置は、主たる構成として、直流の主回路部１と、制御部１４とを有して構成されている。主回路部１は、第２のスイッチ７と、突入電流抑制部２０と、フィルタリアクトル６と、フィルタコンデンサ（以下単に「コンデンサ」と称する）５と、電圧検出器８と、放電回路１０と、電力変換回路１１とを有して構成されている。
【００１５】
第１のスイッチ３の一端は、パンタグラフなどの集電装置２に接続され、第１のスイッチ３の他端は、主回路部１の入力側に接続される。第１のスイッチ３は、電力変換装置に例えば地絡などの異常が発生したときに、集電装置２と主回路部１との電力系統を切り離すため高速で動作する開閉部である。主回路部１の出力側には、誘導電動機などの負荷４が接続されて、主回路部１は、負荷４を駆動制御する。主回路部１と第１のスイッチ３とは、制御部１４からの制御信号によって制御される。
【００１６】
次に、主回路部１の構成要素の機能を説明する。第２のスイッチ７は、制御回路１６からの制御信号によって、主回路部１の入力側の回路、すなわち突入電流抑制部２０との接続、開放を行う。突入電流抑制部２０は、抵抗および開閉器で構成され、開閉器の動作タイミングによって架線からの電流を抑制する。コンデンサ５およびフィルタリアクトル６は、フィルタ回路を構成し、直流電圧の平滑化を行う。コンデンサ５の容量は、通常数ミリファラッドから数十ミリファラッドである。電圧検出器８は、電力変換装置を安定して制御するため、コンデンサ５の電圧をモニタしている。放電抵抗（第１の抵抗）９は、第２のスイッチ７がオフされて装置が停止した際に、コンデンサ５に蓄えられたエネルギを放電する。この放電抵抗９は、安全性を確保するための部品であり、コンデンサ５の放電時定数が数十秒から数分になるように、その抵抗値が設定される。すなわち、コンデンサ５と放電抵抗９とで構成される第１の放電回路が、コンデンサ８に蓄積された電荷を放電するように構成されている。放電回路（第２の放電回路）１０は、検知回路１５が異常を検知した際に、速やかにコンデンサ５のエネルギを放電し、コンデンサ電圧を低下させる保護装置である。すなわち、放電回路１０は、抵抗（第２の抵抗）を含み、コンデンサ５に蓄積された電荷を放電するように構成されている。
【００１７】
コンデンサ５は、通常、セグメントヒューズ機構などの保護機構を備えているが、この保護機構の動作不良や過負荷などにより、フィルム温度が上昇した場合、フィルム温度が耐熱温度を超えることによって絶縁性能が低下し、最終的に大規模な短絡故障に至る場合がある。電力変換装置に採用されるコンデンサの容量は、数ミリファラッドから数十ミリファラッドであり、使用される直流電圧は、６００ボルトから４０００ボルトの範囲であるので、コンデンサに蓄えられるエネルギは数キロ〜数十キロジュールである。
【００１８】
ここで、電力変換装置は、架線などの電力供給源に接続されているため、コンデンサ５が短絡した場合、架線からもエネルギが流入する。通常、電力変換装置に備えられている過電流保護機能により、例えば、第１のスイッチ３をオフしたとしても、自らのコンデンサ５に蓄えられているエネルギと、第１のスイッチ３をオフするまでに電力供給源から流入するエネルギと、を合わせて、数十キロジュールのエネルギが故障コンデンサで放電されることになる。その結果、コンデンサケースの破裂、内部の油、フィルムの発火が生じる場合がある。スイッチ３がオフされていて架線と切り離された状態でコンデンサが短絡故障した場合でも、短絡故障時にはコンデンサ５に蓄えられたエネルギが放電されるため、ケース破裂、発火が生じる可能性がある。よって、ケース破裂と火災を防ぐためには、コンデンサ５が短絡する兆候を捉えて、短絡が発生する前にコンデンサ５のエネルギを放出する必要がある。
【００１９】
検証実験を行った結果、このコンデンサ短絡の兆候として、コンデンサ５のインピーダンス低下が生じることが判明した。短絡故障する場合には短絡する部分のフィルムの温度が上昇するが、この温度上昇による絶縁特性の悪化がインピーダンスの低下を引き起こすものと考えられる。このインピーダンス低下は、放電抵抗９を備えた電力変換装置では、図３の電圧波形に示すように、第２のスイッチ７がオフされたとき、コンデンサ電圧の放電時定数が低下する現象として現れる。実線は、第２のスイッチ７がオフされたときに、コンデンサ５と放電抵抗９との積で得られる放電時定数に対応するコンデンサ電圧を示すものであり、破線は、インピーダンス低下によって、放電時定数が低下したときのコンデンサ電圧を示すものである。例えば、コンデンサ５が正常なときには、メガオームのオーダを持つ抵抗値が、コンデンサ５が異常なときには、数キロオームにまで低下することが実験の結果判明した。
【００２０】
本発明の実施の形態にかかる電力変換装置は、コンデンサ短絡前の兆候を検知することにより、コンデンサ５の短絡故障を防止し、かつ、それに引続いて生じるコンデンサケースの破裂および火災の発生を防止することが可能である。このコンデンサ５の短絡前の兆候は、コンデンサ電圧の異常低下として現れるため、コンデンサ５の電圧をモニタし、コンデンサ電圧の異常低下を検知回路１５により検知し、その検知信号を制御回路１６に入力し、制御回路１６により適切な制御を行うことによってコンデンサ５の保護が可能となる。
【００２１】
コンデンサ電圧をモニタする手段としては、電力変換装置の制御のために通常備えている電圧検出器８を利用する。本実施の形態にかかる電力変換装置は、この電圧検出器８からの電圧検出器出力を検知回路１５に入力することにより、新たな検出器を追加することなく、コンデンサ５の短絡故障を未然に防止するものである。
【００２２】
次に、制御部１４を説明する。制御部１４は、制御回路１６と検知回路１５とを有して構成されている。検知回路１５は、コンデンサ５のインピーダンス低下検知機能として動作するものであり、詳細は後述する。制御回路１６は、検知回路１５からの検知信号を受信し、電力変換回路１１のスイッチング動作を停止すると共に、放電回路１０を動作させてコンデンサ５のエネルギを放出させる。これらの動作は、制御回路１６から出力される制御信号によって実行される。
【００２３】
図２に示される検知回路１５は、コンデンサ５のインピーダンスの低下検知機能として動作するものであり、ソフトウェアで構成した場合の実施例である。例えば、電力変換回路１１および放電回路１０が動作を停止している状態で第２のスイッチ７がオフされたとき、放電抵抗９によりコンデンサ５のエネルギが放電され、一定の時定数でコンデンサ５の電圧が低下する。
【００２４】
図２のコンデンサ電圧演算回路１２は、この第２のスイッチ７のオフ条件をトリガとして、コンデンサ５が正常なときに放電されるコンデンサ電圧を、例えば、１÷（１＋ＳＴ）で示される関数で求める。すなわち、コンデンサ５が正常なときに放電されるコンデンサ電圧を推定する。ただし、Ｓはラプラス演算子を示し、Ｔはコンデンサ５の容量Ｃと放電抵抗９とを乗算して得られる時定数を示す。この推定された電圧値は、例えば、図３の実線で示されるコンデンサ電圧の曲線のような値となる。すなわち、コンデンサ電圧演算回路１２は、主回路部１が電源から切り離されたときに電圧検出器８で検出される電圧初期値と上述した時定数とに基づいて電圧の推移を推定する。
【００２５】
コンパレータ１３は、コンデンサ電圧演算回路１２で推定された電圧の推移（以下「計算値」と称する）と、電圧検出器８で検出される電圧の推移（以下「実測値」と称する）と、を比較し、実測値が計算値を下回った場合、コンデンサ５のインピーダンスが低下したことを検知する。コンデンサ電圧演算回路１２からの計算値は、図３の実線で示されるような曲線であり、実測値は、図３の点線で示されるような曲線であるため、この点線が実線を下回った状態となる。このように実測値が計算値を下回った場合、検知回路１５は、コンデンサ５の短絡前の兆候を示す検知信号を出力する。この際、コンデンサ電圧の放電時定数は、コンデンサ容量や放電抵抗の公差を考慮して、フィルタコンデンサが正常なときには、コンデンサ電圧の異常を検知しない値に設定しておく。また、コンデンサ５の異常時以外の電圧変動時に誤検知しないように、検知条件を十分考慮しておくことが望ましい。例えば、第２のスイッチ７の投入、放電回路１０の動作、電力変換回路１１の動作時には、コンデンサ電圧が計算値以下に低下する場合があるので、そのような動作モードでは保護検知しないようにマスク処理を行う。
【００２６】
制御回路１６は、検知回路１５からの検知信号を受信した場合、制御信号を出力し、電力変換回路１１のスイッチング動作を速やかに停止させると共に、放電回路１０を動作させてコンデンサ５のエネルギを放出させる。その結果、コンデンサ５のケース破裂および火災を防止することが可能である。
【００２７】
また、検知回路１５は、検知状態をラッチするように構成してもよい。例えば、検知回路１５から検知信号が出力された場合、コンデンサケースが破裂あるいは火災に至る可能性のあるため、特定の作業者しか扱うことのできない所定の装置を接続しなければ、電力変換回路１１の停止状態を解除して再始動できないようにすることが望ましい。検知回路１５が検知状態をラッチすることによって、例えば、電気車の運転手または車掌などが誤って保護解除操作を行った場合でも、コンデンサ５の短絡故障等が発生することを防止することが可能である。また、上記の機能によって、コンデンサ５の短絡故障を原因とするケース破裂および火災の発生がより効果的に抑制される。
【００２８】
また、検知回路１５は、保護検知したことと、保護検知により電力変換回路１１が停止状態であることとを、例えば、外部装置に対する所定の信号で通知し、あるいは図示しない表示器を用いて通知する。そうすることで、作業者が保護状態であることを認識できるため、保守性が向上する。
【００２９】
以上説明したように、本実施の形態にかかる電力変換装置は、第２のスイッチ７の何れかが開放されたときをトリガとして、主回路部１が電源から切り離されたときに電圧検出器８で検出される電圧初期値と、コンデンサ５および放電抵抗９の値から得られる時定数と、に基づいて電圧の推移（正常時の電圧）を推定し、推定された電圧と、電圧検出器８で検出される電圧の推移（異常時の電圧）と、を比較して、コンデンサ５の短絡故障が発生する兆候を示す検知信号を生成する検知回路１５を備えるようにしたので、コンデンサ短絡前にコンデンサ５のインピーダンスの低下を検知して、電力変換回路１１を停止させると共に、放電回路１０を動作させてコンデンサ５のエネルギを素早く放出させることが可能である。その結果、コンデンサ５の短絡故障の発生と、それに引続いて生じるコンデンサケースの破裂等の発生とを、未然に防ぐことが可能である。なお、上記特許文献２に示される従来技術は、検出されたコンデンサ電圧が所定の値以下になったときに、所定の信号を出力することで、短絡故障後のコンデンサを切り離すというものであるため、コンデンサの短絡前の兆候を検知することができなかったが、本実施の形態にかかる電力変換装置は、コンデンサの短絡前の兆候を検知することが可能である。
【００３０】
また、本実施の形態にかかる電力変換装置は、検知状態をラッチするようにしたので、電気車の運転手などが誤って保護解除操作を行った場合でも、コンデンサ５の短絡故障を原因とするケース破裂および火災の発生が効果的に抑制される。
【００３１】
実施の形態２．
実施の形態２にかかる制御回路１６は、一定期間（あるいは所定期間）、第２のスイッチ７がオフされずに、インピーダンス低下の検知機能が動作しない場合、電力変換回路１１が停止した際に、強制的に第２のスイッチ７をオフする機能を有している。そのため、任意のタイミングでコンデンサ５のインピーダンス低下を検知することが可能である。その結果、コンデンサ５の短絡前の兆候を精度よく検知することができるため、コンデンサ５のケース破裂および火災をより効果的に防止することが可能である。
【００３２】
実施の形態３．
放電抵抗９を備えていない電力変換装置では、コンデンサ５が正常なときのコンデンサ電圧は、コンデンサ５の端子間に接続されている電力変換回路１１の半導体素子や電圧検出器８などの抵抗により緩やかに放電される。一方、コンデンサ５が異常なときのコンデンサ５のインピーダンスは、上述したように、数キロオーム程度にまで低下する。この場合、コンデンサ５の電圧は、放電抵抗９がないために、実施の形態１で説明した放電時定数に比して大幅に小さな時定数で放電される。そのため、放電抵抗９を備えている電力変換装置に比して、コンデンサ５の異常を早く検知することが可能である。
【００３３】
このように、本実施の形態にかかる電力変換装置は、放電抵抗９を備えていない場合でも、実施の形態１の電力変換装置と同様に、コンデンサ５のインピーダンス低下を検知することができると共に、コンデンサ５の異常を早く検知することが可能である。
【００３４】
実施の形態４．
実施の形態１〜３にかかる電力変換装置は、コンデンサ短絡前にコンデンサ５のインピーダンスの低下を検知するように構成されているが、実施の形態５にかかる電力変換装置は、コンデンサ電圧の瞬時低下を検知するように構成されている。
【００３５】
図４は、故意に欠陥を混入させたコンデンサの電圧の変化を示す図であり、図５は、本発明の実施の形態４にかかる電力変換装置に適用される検知回路の構成図である。実施の形態１〜４で説明したコンデンサ短絡の兆候とは別のコンデンサ短絡の兆候として、コンデンサ５の局所的な短絡と絶縁回復の動作が生じることが実験の結果判明している。図５において、コンデンサ５は、完全な短絡には至らないものの、コンデンサ５の局所的な短絡によりコンデンサ電圧が瞬時的に低下し、その後絶縁が回復し、電源からの電力供給により電圧が復帰する現象が生じていることが分かる。実験に用いたコンデンサ５では、約１ミリセカンド間で電圧が約２００ボルト低下する結果となった。コンデンサ５は、このような動作を複数回繰り返した後に、完全な短絡故障に至ることが判明した。
【００３６】
コンデンサ５の誘電体であるフィルムには、セルフヒーリングと呼ばれる特性がある。このセルフヒーリングとは、フィルムの一部で絶縁破壊が生じた際に、蒸着された電極金属が短絡時の放電エネルギで蒸発し、局所的に電極が消失して絶縁を回復する性質である。図４において、コンデンサ電圧が変動しているポイント、すなわち、コンデンサ電圧が定常状態から降下し再び定常状態付近にまで上昇する部分では、フィルムの局所的な領域で短絡とヒーリングとが生じているものと考えられる。このコンデンサ電圧が瞬時低下したことを検知することにより、コンデンサ５の短絡故障とそれに引続いて生じるコンデンサのケース破裂および火災の発生を防止することが可能となる。
【００３７】
コンデンサ電圧をモニタする手段としては、電力変換装置の制御のために通常備えている電圧検出器８を利用する。本実施の形態にかかる電力変換装置は、この電圧検出器８からの電圧検出器出力を検知回路１５に入力することにより、新たな検出器を追加することなく、ソフトウェアによる検知論理の追加のみで、コンデンサ５の短絡故障を未然に防止することが可能である。
【００３８】
次に、実施の形態４にかかる検知回路１５の構成を説明する。図５に示される検知回路１５は、コンデンサ電圧の瞬時低下を検知する回路を、ソフトウェアで構成した場合の実施例である。図５には、例えば、電圧が“Ｘ”秒間に“Ｙ”ボルト低下したことを検知する回路のブロック図が示されている。図５の検知回路１５は、“Ｘ”秒前のコンデンサ電圧と、現在のコンデンサ電圧と、を常時比較しており、コンデンサ電圧の低下が“Ｙ”ボルト以上となった場合、コンデンサ電圧が“Ｘ”秒間に“Ｙ”ボルト低下したことを検知する。
【００３９】
具体例で説明すると、例えば、現在のコンデンサ電圧が５００ボルトであり、“Ｘ”秒が１ミリセカンドであり、“Ｘ”秒前のコンデンサ電圧が７００ボルトであり、“Ｙ”ボルトが１００ボルトであるとする。検知回路１５は、“Ｘ”秒前のコンデンサ電圧と現在のコンデンサ電圧との差分（＝２００ボルト）を求める。コンパレータ１３は、この差分と“Ｙ”ボルトとを比較し、“Ｘ”秒間に“Ｙ”ボルト低下した場合、コンデンサ５のインピーダンスが低下したことを検知し、検知信号を出力する。すなわち、実施の形態４にかかる検知回路１５は、主回路部１が電源から切り離されたときに電圧検出器８で検出された電圧の低下率に基づいて、コンデンサの短絡故障が発生する兆候を示す検知信号を生成する。なお、図５に示す回路構成に限定されるものではなく、コンデンサ電圧が“Ｘ”秒間に“Ｙ”ボルト低下したことを検知できる回路であれば適用可能である。
【００４０】
コンデンサ電圧の瞬時低下は、コンデンサの破壊直前に発生する現象である。そのため、コンデンサ５に電圧が印加されている状態であれば、検知回路１５は常時動作していることが望ましい。ただし、後述するような、正常運転時におけるコンデンサ電圧の低下に対して、電力変換装置を停止させてしまうことを防止するためには、コンデンサ電圧の瞬時低下であると誤検知をしないように、検知回路１５の検知レベルを設定する必要がある。そこで、まず、コンデンサ５が瞬時短絡したときの電圧低下率を測定して、実際の瞬時短絡時の電圧低下率（以下「電圧低下率Ａ」と称する）を把握する。さらに、コンデンサ５が瞬時短絡しておらず、電力変換装置が正常に動作しているときのコンデンサ５の電圧低下率（以下「電圧低下率Ｂ」と称する）を把握する。そして、検知回路１５の検知レベルを、電圧低下率Ａと電圧低下率Ｂとの間に設定する。すなわち、検知回路１５には、電圧検出器８で検出された電圧の瞬時低下の検知レベルが、コンデンサ５の瞬時短絡時の電圧低下率と、正常運転時に発生しうる電圧低下率と、の間に設定されていることになる。
【００４１】
直流架線に接続される電気車の場合、コンデンサ電圧が変動する様々な外的要因が存在する。そのため、電力変換装置が正常な場合に電圧が低下する要因を抽出し、その場合の電圧低下率を把握することが保護回路の誤検知を防ぐために重要である。正常運転時にコンデンサ電圧が低下する要因としては、架線電圧の急変によるコンデンサ電圧の振動、事故等の架線接地によるコンデンサ電圧の急激な低下、負荷にパワーを供給している際の架線停電によるコンデンサ電圧の低下などが考えられる。本実施の形態にかかる検知回路１５の検知レベルは、そのような条件下での電圧低下率Ｂと、実際にコンデンサが瞬時短絡した場合の電圧低下率Ａとの間に設定される。このことによって、検知機能を常時動作させ、かつ、コンデンサの異常時以外には誤検知せず、コンデンサ５の瞬時短絡時のみ異常を検知できる保護機能が実現される。
【００４２】
なお、コンデンサ電圧の瞬時低下は、コンデンサ５の短絡故障直前の現象であるため、制御回路１６は、検知回路１５からの検知信号を受信した場合、制御信号を出力し、速やかに電力変換回路１１を停止させ、放電回路１０を動作させてコンデンサ５のエネルギを放出させる。また、検知回路１５は、実施の形態１と同様に、電力変換装置の運転ができないように、検知状態をラッチすると共に、図示しない外部装置、あるいは表示器に対して保護検知を通知する。
【００４３】
以上説明したように、本実施の形態にかかる電力変換装置は、コンデンサ電圧の瞬時低下を検知する検知レベルを、コンデンサの瞬時短絡時の電圧低下率Ａと、正常運転時に発生しうる電圧低下率Ｂと、の間に設定するようにしたので、コンデンサ５の瞬時短絡のみ検知することが可能である。その結果、実施の形態１の電力変換装置に比して、より信頼性を高めることが可能である。
【００４４】
なお、本実施の形態にかかる検知回路１５は、実施の形態１にかかる検知回路１５と同様に、電圧低下の検知状態を保持するように構成してもよい。また、本実施の形態にかかる制御回路１６は、実施の形態２にかかる制御回路１６と同様に、所定期間、第２のスイッチ７がオフされずに、インピーダンス低下の検知機能が動作しない場合、電力変換回路１１が停止した際に、強制的に第２のスイッチ７をオフするように構成してもよい。
【００４５】
実施の形態５．
放電回路１０は、コンデンサ５が異常なときに、コンデンサ５のエネルギを短時間で放電しコンデンサ電圧を下げることを目的とするものである。従って、放電回路１０の設定によっては、放電回路１０の動作時の電圧低下率（以下「電圧低下率Ｃ」と称する）が、コンデンサ５の瞬時短絡時の電圧低下率Ａと同程度になる場合も想定される。ここで、コンデンサ５の瞬時短絡以外の要因による保護動作が実行され、その保護動作によって放電回路１０が放電を実行した場合、検知回路１５は、コンデンサ５が正常であるにもかかわらず、コンデンサ５の瞬時短絡が発生したと誤検知する可能性がある。すなわち、電圧検出器８では、放電回路１０が動作したときのコンデンサ電圧も検出される、検知回路１５は、電圧低下率Ｃが電圧低下率Ａと同程度であれば、コンデンサ５の瞬時短絡が発生したと誤検知してしまう。その結果、制御回路１６が、検知回路１５からの制御信号によって、電力変換回路１１を停止させてしまう場合がある。
【００４６】
このような誤検知を防止するため、実施の形態５にかかる検知回路１５は、コンデンサ５の瞬時短絡以外の要因による保護動作が実行され、その保護動作によって放電回路１０が動作している場合、制御回路１６からの所定の指令に基づいて、コンデンサ５の瞬時短絡の検知機能をマスクする機能を備えている。すなわち、実施の形態５にかかる検知回路１５は、コンデンサ５の瞬時短絡以外の要因によって放電回路１０が動作したときの電圧低下率が、コンデンサ５の瞬時短絡時の電圧低下率と同程度である場合にのみ、電圧低下の検知機能をマスクする。このことによって、コンデンサ電圧の瞬時低下が発生していない場合に放電回路１０が動作したときであっても、上述したような誤検知を回避することが可能である。その結果、誤検知によって電力変換装置を停止させてしまうことが防止され、電力変換回路１１の動作を継続することができる。
【００４７】
なお、実施の形態１〜５にかかる検知回路１５を、ソフトウェアではなく、ディスクリートの電子部品で構成することも可能である。その場合、実施の形態１〜５と同様の効果を得ることができると共に、制御部１４の処理負担を軽減することが可能である。また、上記説明では、この発明の用途として電気車の電力変換装置の場合を例に説明したが、直流の主回路部１にコンデンサ５を備えた装置であれば適用可能であり、コンデンサの短絡故障を防ぐ効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上のように、本発明は、直流回路部を有する電力変換装置に適用可能であり、特に、機能低下を抑制し、かつ、点検作業の効率を向上させることができる発明として有用である。
【符号の説明】
【００４９】
１  主回路部
２  集電装置
３  第１のスイッチ
４  負荷
５  フィルタコンデンサ
６  フィルタリアクトル
７  第２のスイッチ
８  電圧検出器
９  放電抵抗
１０  放電回路（第２の放電回路）
１１  電力変換回路
１２  コンデンサ電圧演算回路
１３  コンパレータ
１４  制御部
１５  検知回路
１６  制御回路
２０  突入電流抑制部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年11月29日(2010.11.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、直流電力を交流電力に変換する直流主回路と、前記直流主回路を制御する制御部とを備えた電力変換装置であって、前記直流主回路は、前記直流主回路を構成するコンデンサと、前記コンデンサの電圧を検出する検出器と、前記コンデンサと第１の抵抗とを含み前記コンデンサに蓄積された電荷を前記第１の抵抗を介して放電させる第１の放電回路と、を有し、前記制御部は、前記直流主回路が電源から切り離されたときに前記検出器で検出される電圧初期値と前記第１の放電回路の時定数とに基づいて推定される電圧の推移と、前記検出器で検出される電圧の推移と、を比較し、前記コンデンサの短絡故障が発生する兆候を示す検知信号を生成する検知回路を有すると共に、前記直流主回路が所定期間電源から切り離されない場合、前記直流主回路を電源から切り離すこと、を特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換する直流主回路と、前記直流主回路を制御する制御部とを備えた電力変換装置であって、
前記直流主回路は、
前記直流主回路を構成するコンデンサと、前記コンデンサの電圧を検出する検出器と、前記コンデンサと第１の抵抗とを含み前記コンデンサに蓄積された電荷を前記第１の抵抗を介して放電させる第１の放電回路と、を有し、
前記制御部は、
前記直流主回路が電源から切り離されたときに前記検出器で検出される電圧初期値と前記第１の放電回路の時定数とに基づいて推定される電圧の推移と、前記検出器で検出される電圧の推移と、を比較し、前記コンデンサの短絡故障が発生する兆候を示す検知信号を生成する検知回路を有すると共に、前記直流主回路が所定期間電源から切り離されない場合、前記直流主回路を電源から切り離すこと、
を特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記直流主回路は、
第２の抵抗を含み前記コンデンサに蓄積された電荷を前記第２の抵抗を介して放電させる第２の放電回路を有し、
前記制御部は、
前記検知回路からの検知信号を受信した場合、前記第２の放電回路を動作させる制御回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
直流電力を交流電力に変換する直流主回路と、前記直流主回路を制御する制御部とを備えた電力変換装置であって、
前記直流主回路は、
前記直流主回路を構成するコンデンサと、前記コンデンサの電圧を検出する検出器と、前記コンデンサと第１の抵抗とを含み前記コンデンサに蓄積された電荷を前記第１の抵抗を介して放電させる第１の放電回路と、を有し、
前記制御部は、
前記直流主回路が電源から切り離されたときに前記検出器で検出された電圧が定常状態から降下し再び定常状態付近にまで上昇する際の瞬時低下の傾きに基づいて、前記コンデンサの短絡故障が発生する兆候を示す検知信号を生成する検知回路を有すること、
を特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
前記検知回路には、前記検出器で検出された電圧の瞬時低下の検知レベルが、前記コンデンサの瞬時短絡時の電圧低下率と、正常運転時に発生しうる電圧低下率と、の間に設定されていること、を特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記直流主回路は、
第２の抵抗を含み前記コンデンサに蓄積された電荷を前記第２の抵抗を介して放電させる第２の放電回路を有し、
前記検知回路は、
前記第２の放電回路が動作したときの電圧低下率が、前記コンデンサの瞬時短絡時の電圧低下率と同程度である場合にのみ、電圧低下の検知機能をマスクすること、を特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記検知回路は、前記コンデンサの異常を検知した場合、検知状態をラッチすることを特徴とする請求項１または３に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記検知回路は、前記コンデンサの短絡故障が発生する兆候を検知したことを外部に通知することを特徴とする請求項１または３に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記制御回路は、前記直流主回路が所定期間電源から切り離されない場合、前記直流主回路を電源から切り離すことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【国際調査報告】
2011104848.tif 000008
2011104848.tif 000009
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